物质的跨膜运输与信号传导.ppt

第五章 物质的跨膜运输与信号传递, 物质的跨膜运输 细胞通讯与信号传递,第一节 物质的跨膜运输,被动运输（passive transport） 主动运输（active transport） 胞吞作用（endocytosis）与胞吐作用（exocytosis）,物质的跨膜运输是细胞维持正常生命活动的基础之一。,第二节 细胞通讯与信号传递,细胞通讯与细胞识别 细胞的信号分子与受体 通过细胞内受体介导的信号传递 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递 细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息,被动运输（passive transport）,特点：运输方向、跨膜动力、能量消耗、膜转运蛋白 类型：简单扩散（simple diffusion）、协助扩散（facilitated diffusion） 膜转运蛋白： 载体蛋白（carrier proteins）通透酶（permease）性质； 介导被动运输与主动运输。 通道蛋白（channel proteins）具有离子选择性，转运速率高； 离子通道是门控的；只介导被动运输 类型： 电压门通道（voltage-gated channel） 配体门通道（ligand-gated channel） 压力激活通道（stress-activated channel）,主动运输（active transport）,特点：运输方向、能量消耗、膜转运蛋白 被动与主动运输的比较 类型：三种基本类型 由ATP直接提供能量的主动运输 钠钾泵 （结构与机制） 钙泵（Ca2+-ATP酶） 质子泵：P-型质子泵、V-型质子泵、H+-ATP酶 协同运输（cotransport） 由Na+-K+泵（或H+-泵）与载体蛋白协同作用， 靠间接消耗ATP所完成的主动运输方式 物质的跨膜转运与膜电位,胞吞作用（endocytosis） 与胞吐作用（exocytosis）,作用：完成大分子与颗粒性物质的跨膜 运输，又称膜泡运输或批量运输 （bulk transport）。属于主动运输。 胞吞作用 胞吐作用,胞吞作用,胞饮作用（pinocytosis）与吞噬作用（phagocytosis）。 胞饮作用与吞噬作用主要有三点区别,受体介导的内吞作用及包被的组装 胞内体（endosome）及其分选作用,胞吐作用, 组成型的外排途径（constitutive exocytosis pathway） 所有真核细胞 连续分泌过程 用于质膜更新（膜脂、膜蛋白、胞外基质组分、营养或信号分子） default pathway：除某些有特殊标志的駐留蛋白和调节型分泌泡外， 其余蛋白的转运途径：粗面内质网高尔基体分泌泡细胞表面 调节型外排途径（regulated exocytosis pathway） 特化的分泌细胞 储存刺激释放 产生的分泌物（如激素、粘液或消化酶）具有共同的分选机制， 分选信号存在于蛋白本身，分选主要由高尔基体TGN上的受体类蛋白 来决定 膜流：动态过程对质膜更新和维持细胞的生存与生长是必要的 囊泡与靶膜的识别与融合,细胞通讯与细胞识别,细胞通讯（cell communication） 细胞识别（cell recognition）,细胞通讯（cell communication）,一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。 细胞通讯方式： 分泌化学信号进行通讯 内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） 化学突触（chemical synapse） 接触性依赖的通讯 细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 间隙连接实现代谢偶联或电偶联,细胞识别（cell recognition）,概念： 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。 信号通路（signaling pathway） 细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。,细胞的信号分子与受体,信号分子（signal molecule） 亲脂性信号分子 亲水性信号分子 气体性信号分子(NO) 受体（receptor）多为糖蛋白 第二信使（second messenger） 分子开关（molecular switches）,细胞内受体: 为胞外亲脂性信号分子所激活 激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族） 细胞表面受体: 为胞外亲水性信号分子所激活 细胞表面受体分属三大家族： 离子通道偶联的受体（ion-channel-linked receptor） G-蛋白偶联的受体（G-protein-linked receptor） 酶偶连的受体（enzyme-linked receptor）,受体的功能： 介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用) 信号转导：受体的激活（activation） （级联反应）； 受体失敏（desensitization） 关闭反应、 减量调节（down-regulation） 降低反应。,通过细胞内受体介导的信号传递, 甾类激素介导的信号通路 两步反应阶段： 初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的，发生迅速； 次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。 一氧化氮介导的信号通路,通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递 G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递 与酶偶联的受体,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递,信号途径 特点： 受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白 跨膜信号转导无需中间步骤 主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递 有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性,G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递, cAMP信号通路 磷脂酰肌醇信号通路,细胞表面其它与酶偶联的受体,受体丝氨酸/苏氨酸激酶 受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals） 酪氨酸蛋白激酶联系的受体 两大家族： 一是与Src蛋白家族相联系的受体； 二是与Janus激酶家族联系的受体。 信号转导子和转录激活子（signal transducer and actvator of transcription，STAT）与JAK-STAT途径。,cAMP信号通路,反应链： 激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMP cAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录 组分及其分析 G-蛋白偶联受体 G-蛋白活化与调节 效应酶腺苷酸环化酶 GPLR的失敏（desensitization）与减量调节 细菌毒素对G蛋白的修饰作用,GPLR的失敏： 例：肾上腺素受体被激活后，10-15秒cAMP骤增，然后在不到1min内反应速降，以至消失。 受体活性快速丧失（速发相）-失敏（desensitization）； 机制：受体磷酸化 受体与Gs解偶联，cAMP反应停止并被PDE降解。 两种Ser/Thr磷酸化激酶： PKA 和肾上腺素受体激酶（ ARK）， 负责受体磷酸化； 胞内协作因子扑获蛋白（ arrestin）-结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（ arrestin 已克隆、定位11q13）。 反应减弱（迟发相）-减量调节（down-regulation） 机制：受体-配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现 arrestin可直接与Clathrin结合，在内吞中起adeptors作用； 受体减量调节与内吞后受体的分选有关。,磷脂酰肌醇信号通路, “双信使系统”反应链：胞外信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白 IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应 磷脂酶C(PLC) DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH,受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs） 包括6个亚族 信号转导：配体受体受体二聚化受体的自磷酸化 激活RTK胞内信号蛋白启动信号传导 RTK- Ras信号通路： 配体RTK adaptor GRFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白 （转录因子）的磷酸化修钸。 G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活 RTKs的失敏（desensitization）,G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活 MAPK（Mitogen-activated protein kinase）又称ERK（extracelular signal-regulated kinase）-真核细胞广泛存在的Ser/Thr蛋白激酶。 MAPK的底物：膜蛋白（受体、酶）、胞浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子-在细胞增殖和分化中具有重要调控作用。 PTX敏感性G蛋白（Gi，Go）的亚基依赖于Ras激活MAPK，具体机制还有待深入研究； PKC、PLC与G蛋白偶联受体介导的MAPK激活 PKC和PLC 参与G蛋白偶联受体激活MAPK ： G蛋白偶联受体激活G蛋白； G蛋白亚基或 亚基激活PLC，促进膜磷脂代谢； 磷脂代谢产物（ DAG + IP3 ）激活PKC； PKC 通过Ras 或 Raf 激活MAPK ； 由于PKC对钙的依赖性不同，所以G蛋白偶联受体 MAPK途径对钙要 求不同； PKA对G蛋白偶联受体 MAPK途径的负调控 迄今未发现和制备出MAPK组成型突变（dominant negative mutant），提示细胞难于忍受MAPK的持续激活（MAPK的去活是细胞维持正常生长代谢所必须）。主要机制：特异性的Tyr/Thr磷脂酶可选择性地使MAPK去磷酸化，关闭MAPK信号。 cAMP ， MAPK ；cAMP直接激活cAMP依赖的PKA；PKA可能通过RTK或通过抑制Raf-Ras相互作用起负调控作用。,RTKs的失敏： 催化性受体的效应器位于受体本身，因此失敏即酶活性速发抑制。 机制：受体的磷酸化修饰。EGF受体Thr654的磷酸化导致RTK活性的 抑制，如果该位点产生Ala突变，则阻止活性抑制，后又发现C 端的Ser1046/7也是磷酸化位点。磷酸化位点所在的C端恰好是 SH2蛋白的结合部位。 引起受体磷酸化的激酶： PKC-作用于Thr654； CaMK2（Ca2+和CaM依赖的激酶2）-作用于Ser1046/7 还发现：EGF受体是CDK的靶蛋白，提示和周期调控有关。 RTK晶体结构研究表明， RTK激活后形成稳定的非抑制性构象；磷酸化修饰后，形成抑制性构象，引起失敏。 RTK失敏对细胞正常功能所必须， RTK 的持续激活将导致细胞生长失控。,由细胞表面整合蛋白介导的信号传递,整合蛋白与粘着斑 导致粘着斑装配的信号通路有两条 粘着斑的功能： 一是机械结构功能； 二是信号传递功能 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路： 由细胞表面到细胞核的信号通路 由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路,细胞信号传递的基本特征 与蛋白激酶的网络整合信息,细胞信号传递的基本特征： 具有收敛（convergence）或发散（divergence）的特点 细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性 信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存 细胞以不同的方式产生对信号的适应(失敏与减量调节) 蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的cross talk,简单扩散与协助扩散的比较,在动物、植物细胞由载体蛋白 介导的协同运输异同点的比较,GPLR：种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜） 信号分子包括：感觉信号（光、嗅、声等；激素、神经递质等） GPLR的效应器： AC、PLC、PLA2、 GRK（ GPLR 激酶）、PDE、PI3K、离子通道等,（A）细胞内受体蛋白作用模型; （B）几种胞内受体蛋白超家族成员,乙酰胆碱N受体（260KD） 外周型：5个亚基组成（2） 调节主要为亚基变化 通道开启：Na+ 内流，K+外流， 膜去极化。,GPLR的C端富含Ser 和Thr磷酸化位点-受体磷酸化失敏机制,亚基-被异戊酰化（isoprenylated）修饰连在膜上； 亚基-被豆蔻酸化（myristoylated）修饰连在膜上。,Converge on Ras,RTK,GLR,Ligand,Ligand,PLC,Ras,AC,GP,Raf,DAG,IP3,cAMP,MAPKK,MAPK,Transcription Factors,PKC,Ca2+,CaMK,PKA,PM,Signals trans